(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数の安定性およびジッタの要件を満たしつつ、ＣＭＯＳ技術における既存の最適化プロセスの手順に依拠した集積化の解決手法を利用した、温度に対して非依存型のＬＣ型発振器を提供する。【解決手段】実質的に温度に非依存のＬＣ型発振器は、温度ヌル位相に実質的に等しい位相でタンク発振を生成するＬＣ発振器タンク１０を用いて達成される。該温度ヌル位相は、ＬＣ型発振器の出力発振の周波数の温度変化に伴う変動が最小化されるときの、ＬＣ発振器タンク１０の位相である。該ＬＣ型発振器はさらに、該ＬＣ発振器タンク１０に接続されて、該温度ヌル位相に実質的に等しい位相で該ＬＣ発振器タンク１０を発振させる周波数安定化回路を含む。【選択図】図１
2010050973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器システムであって、
温度ヌル位相に実質的に等しい位相でタンク発振を生成するよう動作可能なＬＣ発振器タンクであって、該温度ヌル位相は、発振器システムの出力発振の周波数における温度変化に対する変動が最小化されるときの位相である、ＬＣ発振器タンクと、
前記ＬＣ発振器タンクにフィードバックループで接続された増幅器と、
前記発振器タンクに接続された周波数安定化回路であって、該発振器システムの出力発振が実質的にゼロの開ループ位相を持つように、前記温度ヌル位相に実質的に等しい位相で前記ＬＣ発振器タンクを発振させるよう動作可能な周波数安定化回路と、
を備える、発振器システム。
【請求項２】
前記温度ヌル位相は、ゼロに実質的に等しく、
前記ＬＣ発振器タンクは、
誘導性素子と、
前記誘導性素子に並列に接続された容量性素子と、
前記誘導性素子に直列に接続された誘導性抵抗と、
前記容量性素子に直列に接続された容量性抵抗であって、前記周波数安定化回路を形成する容量性抵抗と、を備え、
前記容量性抵抗の値は、関心のある温度範囲にわたって、前記誘導性素子の品質係数および前記容量性素子の品質係数が実質的に等しくなるよう選択される、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項３】
前記ＬＣ発振器タンクは、さらに、少なくとも二次の温度依存性を有して、関心のある温度範囲にわたって前記ＬＣ発振器タンクの周波数偏差を低減するキャパシタンスを含んでおり、該キャパシタンスは、能動キャパシタンスおよび受動キャパシタンスの少なくとも一方を含む、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項４】
前記周波数安定化回路はさらに、前記ＬＣ発振器タンクと、位相制御信号に基づいて負の前記温度ヌル位相に実質的に等しい位相を生成するよう動作する増幅器と、に接続された位相シフト回路を含む、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項５】
さらに、
前記発振器タンクおよび前記増幅器に接続され、前記出力発振の振幅を測定し、該振幅を基準電圧と比較し、該比較に応じて、前記増幅器の利得を制御するための制御信号を生成するよう動作可能な自動振幅制御回路を備え、
前記制御信号は、前記出力発振の振幅が、該増幅器の線形領域の限界値を超えるのを防ぐように、発振の限界利得の状態で動作するよう該増幅器の利得を設定する、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項６】
前記増幅器は、第１の増幅器であり、前記ＬＣ発振器タンクに第１の電流を流すよう動作可能であり、
前記周波数安定化回路は、さらに、
前記ＬＣ発振器タンクに接続されて、該ＬＣ発振器タンクに第２の電流を流すよう動作可能な第２の増幅器を備え、
前記第１の電流および前記第２の電流の間の位相シフトは、前記温度ヌル位相に実質的に等しい非ゼロ位相を前記ＬＣ発振器に生成する、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項７】
前記第１の電流および前記第２の電流は等しくなく、前記位相の前記非ゼロ値は、該第１の電流および該第２の電流の間の大きさの比および該第１の電流および該第２の電流の間の位相シフトに依存している、
請求項６に記載の発振器システム。
【請求項８】
前記ＬＣ発振器タンク、前記第１の増幅器および前記第２の増幅器は、第１の発振器および第２の発振器を備えており、
該第２の発振器は、さらに、
温度変化に対する周波数の変動が最小になるときの第２の温度ヌル位相を持つ第２のタンク発振を生成するよう動作可能な第２のＬＣ発振器タンクと、
前記第２の発振器タンクにフィードバックループで接続され、該第２の発振器タンクに第３の電流を流すよう動作可能な第３の増幅器と、
前記第２のＬＣ発振器タンクに接続され、該第２のＬＣ発振器タンクに第４の電流を流すよう動作可能な第４の増幅器と、を備え、
前記第３の電流および前記第４の電流の間の直交の位相シフトは、前記第２の温度ヌル位相に実質的に等しい非ゼロ値の位相を前記第２のＬＣ発振器タンクに生成し、
前記第２の発振器は、フィードバックループで前記第１の発振器に接続されて、該第１の発振器の該第１の増幅器に直交電圧を提供し、該直交電圧は、該直交の位相シフトを生成し、
前記第３の電流および前記第４の電流は等しくなく、該第２の発振器タンクにおける前記位相の非ゼロ値は、該第３の電流および該第４の電流の間の大きさの比に依存している、
請求項７に記載の発振器システム。
【請求項９】
さらに、
前記第１の発振器および前記第２の発振器に接続されて、該第１および第２の発振器のそれぞれの出力発振の振幅を測定すると共に、前記第１の増幅器および前記第２の増幅器に接続されると共に、前記第３の増幅器および前記第４の増幅器に接続されて、それぞれの前記出力発振の測定された振幅に基づいて、該第１および第２の増幅器のそれぞれの利得を制御すると共に、該第３および第４の増幅器の利得を制御する、自動増幅制御回路を備える、
請求項８に記載の発振器システム。
【請求項１０】
前記ＬＣ発振器タンクおよび前記増幅器は、基準発振器を備えており、
前記周波数安定化回路は、さらに、位相ロックループ（ＰＬＬ）を有しており、該位相ロックループは、
前記出力発振およびフィードバック信号を受け取るよう接続され、該出力発振および該フィードバック信号の間の位相差を示す位相エラー出力信号を生成するよう動作可能な位相検出器であって、該位相エラー出力信号は、該出力発振および該フィードバック信号が一定の位相だけシフトされているときにゼロに等しい、位相検出器と、
前記位相エラー出力信号を受け取るよう接続され、前記フィードバック信号としてＰＬＬ発振を生成するよう動作可能なＰＬＬ発振器と、
前記ＰＬＬ発振器および前記基準発振器に接続され、該ＰＬＬ発振の一部を前記基準発振器に供給して、該基準発振器のＬＣ発振器タンクを、前記温度ヌル位相で発振させる、プログラム可能な結合回路と、を含む、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項１１】
前記ＬＣ発振器タンクおよび前記増幅器は、基準発振器を備えており、
前記周波数安定化回路は、さらに、遅延ロックループ（ＤＬＬ）を有しており、該遅延ロックループは、
前記出力発振およびフィードバック信号を受け取るよう接続され、該出力発振および該フィードバック信号の間の位相差を示す位相エラー出力信号を生成するよう動作可能な位相検出器であって、該位相エラー出力信号は、該出力発振および該フィードバック信号が一定の位相だけシフトされているときにゼロに等しい、位相検出器と、
前記位相エラー出力信号を受け取るよう接続され、前記フィードバック信号を生成するよう動作可能な電圧制御型遅延線（ＶＣＤＬ）と、
前記ＶＣＤＬおよび前記基準発振器に接続され、該フィードバック信号の一部を前記基準発振器に供給して、該基準発振器のＬＣ発振器タンクを、前記温度ヌル位相で発振させる、プログラム可能な結合回路と、を含む、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項１２】
前記ＬＣ発振器タンクおよび前記増幅器は、発振器を備えており、
前記周波数安定化回路は、さらに、周波数安定化フィードバックループを有しており、該周波数安定化フィードバックループは、
前記発振器の動作温度に重畳された温度励起信号を印加するよう動作可能な加熱素子と、
前記出力発振を受け取るよう前記発振器に接続され、該出力発振を復調して、前記温度励起信号に応じて前記発振器によって生成された周波数偏差を示す周波数偏差信号を生成する復調器と、
前記周波数偏差信号および前記温度励起信号を受け取るよう接続され、温度に対する前記発振器の感度に比例するエラー信号を生成するよう動作可能な周波数エラー生成器と、
前記エラー信号および基準信号を受け取るよう接続され、前記温度ヌル位相で前記ＬＣ発振器タンクの動作を可能にするよう前記発振器を制御する制御信号を生成するよう動作可能な比較器と、を備え、
定常状態において、前記エラー信号は、前記基準信号に等しい平均値を持つ、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項１３】
前記周波数エラー生成器は、前記周波数偏差信号および前記温度励起信号を受け取るよう接続され、温度に伴う前記周波数偏差に比例した平均値で前記エラー信号を生成するよう動作可能なミキサを有しており、
生成された前記エラー信号は、上昇する温度に従って、周波数偏差が正の値の場合には正の平均値を有すると共に、周波数偏差が負の値の場合には負の平均値を有する、
請求項１２に記載の発振器システム。
【請求項１４】
前記周波数安定化フィードバックループは、特定の温度において最小の温度感度で動作するよう前記発振器を調整するよう動作する、
請求項１２に記載の発振器システム。
【請求項１５】
前記周波数安定化フィードバックループは、さらに、
前記比較器に接続され、該比較器の出力を積分して、積分済み信号を生成する積分器と、
前記積分済み信号を受け取るように接続され、該積分済み信号をフィルタリングして前記制御信号を生成するよう動作可能なローパスフィルタと、を有する、
請求項１２に記載の発振器システム。
【請求項１６】
前記周波数安定化回路は、さらに、前記ＬＣ発振器タンクの位相を前記温度ヌル位相に設定するための制御信号を生成するよう動作可能なコントローラを有する、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項１７】
前記コントローラは、２つ以上の温度において前記ＬＣ発振器タンクの様々な位相にわたって前記出力発振の周波数を測定し、該少なくとも２つの温度間で最小の周波数差分を持つ位相を前記温度ヌル位相に決定するよう動作する、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項１８】
前記ＬＣ発振器タンクは、不一致の一対のＬＣ発振器タンクを有して、前記温度ヌル位相を設定することができる位相範囲を生成する差動タンクを備える、
請求項１に記載の発振器システム。
【請求項１９】
温度に対する発振器の周波数感度を求めるための方法であって、
前記発振器の動作温度に重畳される温度励起信号を印加することと、
前記発振器の出力を復調し、前記温度励起信号に応じて前記発振器によって生成された周波数偏差を示す周波数偏差信号を生成することと、
前記周波数偏差信号および前記温度励起信号から、温度に対する前記発振器の周波数感動に比例したエラー信号を生成することと、
を含む方法。
【請求項２０】
ＬＣ型発振器を動作させるための方法であって、
該ＬＣ型発振器のＬＣ発振器タンクの温度ヌル位相を推定することであって、該温度ヌル位相は、該ＬＣ型発振器の出力発振の周波数における温度変化に従う変動が最小化されるときの位相である、ことと、
周波数安定化回路を設けて、前記ＬＣ発振器タンクを、前記温度ヌル位相に実質的に等しい位相で発振させることと、
前記温度ヌル位相に実質的に等しい位相で発振している前記ＬＣ発振器タンクを用いて、前記ＬＣ型発振器を動作させることと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して発振器に関し、特にインダクタ−コンデンサ（ＬＣ）タンク型の発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子クロック生成は、従来、必要とされるクロックを生成するのに選択的に乗算または除算される、外部の水晶に基づく基準発振器に依拠してきた。クロックの主要な仕様には、目標とする周波数以外に、周波数の精度と安定性がある。周波数の精度は、電源および温度に対して目標周波数を維持する能力であり、これは通常、該目標周波数からのドリフトとしてパーセントまたはｐｐｍで表される。短期間の周波数安定性は、大きい周波数オフセットにおいて発振器の位相ノイズに依存する周期ジッタを用いて測定される。他方、長期間の安定性は、発振器の近接位相ノイズ(close-in phase noise)により影響を受ける。高Ｑ素子(high-Q element)を用いた発振器は、典型的には、低位相ノイズの特性を持ち、よって、良好な周波数安定性を有しており、電源および温度に依存した発振器の振幅利得におけるばらつきに左右されにくい。
【０００３】
たとえば、水晶発振器（ＸＯ）は、水晶の非常に高い品質係数（Ｑ）に由来して、電源および温度全域にわたって非常に良好な周波数安定性および周波数精度を提供する高Ｑ発振器である。しかしながら、水晶を含め、すべての共振子（振動子）が、温度に対して満足のいく性能を有しているわけではない。したがって、温度に起因した周波数におけるこの“シフト（ずれ）”を低減ないし補償するための回路および技術が必要とされる。温度補償型の水晶発振器（ＴＣＸＯ）は、典型的には、水晶の温度依存性を無効にするための温度依存性を持つ付加的なデバイスを備える。その結果、低温度依存性の発振周波数が得られる。
【０００４】
しかしながら、複数の規格、増大する機能性、高データ速度、および、より小型化されて低コスト化されたメモリをサポートする必要性のために、電子システムについてこれまで増大してきた複雑性は、設計者を、増大するゲート密度から恩恵を受けるよう、ディープサブミクロン(deep submicron)のＣＭＯＳ技術において、ＳｏＣ(Systems-on-Chip)の開発を介して集積レベルを増大することに向かわせている。水晶発振器による基準クロックは、水晶が本質的にかさばるものであるために、サイズを変更したり集積するのが難しく、よって、電子システムについて可能なサイズおよびコストの低減化を制限してしまっている。
【０００５】
高ＱのＭＥＭＳ共振器および薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）を使用する最近の取り組みは、高Ｑ素子および特定要素向け集積回路（ＡＳＩＣ）を同じパッケージに集積する可能性を示してきた。しかしながら、高Ｑ素子は、ＳｏＣにとって実用的でない特別なパッケージないし較正（キャリブレーション）を必要とすることがあるため、パッケージングによってもたらされる、パフォーマンスに影響するストレスが、厳しい障害としてなお存在している。このストレスは、共振器の温度挙動を変化させるおそれがあり、結果として、大きい周波数シフトをもたらすと共にエージングを加速させるおそれがある。したがって、典型的には、このような取り組みを緩和するように、特別なアセンブリおよびパッケージング技術が必要とされるが、これは、クロックを生成するコストを増大させる。同様の問題は、共振器の材料の機械的特性に依存する共振器にも存在し、これは、注意深い設計および製造手順やプロセスを必要とする。
【０００６】
ＵＳＢおよびＳＡＴＡのようなアプリケーションのための設計上の要件（これは、それほどの周波数精度および安定性を必要としない）は、良好なジッタ性能を生成する適切なノイズ特性を有することができる、ＣＭＯＳプロセスで利用可能な比較的低いＱ素子を備える発振器を用いても満足されることができる。現在の取り組みでは、リング発振器、弛緩発振器、およびＬＣ発振器が使用されている。しかしながら、これらの実現形態について報告されている周波数精度は、電源および温度に対して大きなドリフトがあり、よって、より厳密な精度および安定性を必要とするアプリケーションにとっては、これらの発振器は役に立たない。温度に対するドリフトを低減するための抑制策として、温度に対する調整（トリミング：trimming）が必要とされるが、これは、ＳｏＣにとってコストもかかり、実用的でもない。
【０００７】
したがって、周波数の安定性およびジッタの要件を満たしつつ、ＣＭＯＳ技術における既存の最適化プロセスの手順に依拠した集積化の解決手法が利用可能になることが、価値あるものとして必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、実質的に、温度に対して非依存型のＬＣ型発振器を提供する。この発振器は、温度ヌル位相(temperature null phase)に実質的に等しい位相でタンク発振を生成するＬＣ発振器タンクを含む。該温度ヌル位相は、発振器の出力発振の周波数における温度変化に従う変動が最小化されるときの、ＬＣ発振器タンクの位相である。該発振器は、さらに、ＬＣ発振器タンクに接続された周波数安定化回路を含み、ＬＣ発振器タンクを、該温度ヌル位相で動作させる。
【０００９】
たとえば、一実施形態において、温度ヌル位相は、ゼロに実質的に等しく、周波数安定化回路は、インダクタ（Ｌ）およびコンデンサ（Ｃ）の品質係数が、関心のある温度範囲にわたって実質的に等しくなることを可能にするよう選択された値を持つＬＣ発振器タンク内の直列の容量性抵抗を含む。
【００１０】
他の実施形態では、温度ヌル位相は、ゼロではなく、周波数安定化回路は、位相制御信号に基づいて、負の該温度ヌル位相に実質的に等しい位相を生成するよう動作する位相シフト回路を含む。
【００１１】
さらに他の実施形態では、発振器は、第１の電流をＬＣ発振器タンクに流すよう動作可能な第１の増幅器を含み、周波数安定化回路は、ＬＣ発振器タンクに接続されて、第２の電流をＬＣ発振器タンクに流すよう動作可能な第２の増幅器を含む。第１の電流および第２の電流の間の位相シフトは、該第１の電流および第２の電流の間の比に基づいてＬＣ発振器タンクにおける非ゼロ値の位相を生成する。この比は、発振器が、発振器が温度ヌル位相で動作するよう選択される。
【００１２】
さらなる他の実施形態では、２つの発振器が、互いに直交位相（直角位相差）となるよう接続され、各発振器が、それぞれの温度ヌル位相において動作することを可能にする。各発振器は、組み合わされた電流をそれぞれのＬＣ発振器タンクに流すよう接続された２つの増幅器を含み、該ＬＣ発振器タンクを、温度ヌル位相に実質的に等しくなるよう設定された非ゼロ位相で発振させる。この位相は、各増幅器によって流される電流間の比に基づいて設定される。さらなる実施形態では、自動増幅制御回路が、発振器のそれぞれの出力の振幅を測定し、発振振幅を制御するための制御信号を生成して、これら増幅器が、それらの線形領域で動作するようにし、これにより、発振器の温度依存性に悪影響を持つおそれのある高調波を低減する。
【００１３】
他の実施形態では、周波数安定化回路は、さらに、発振出力およびフィードバック信号を受け取るよう接続されると共に、発振出力と該フィードバック信号の間の位相差を示す位相エラー出力信号を生成するよう動作可能な、位相検出器を有する位相ロックループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）を含む。ここで、位相エラー出力信号は、発振出力およびフィードバック信号が一定の位相だけシフトされているときには、ゼロに等しい。ＶＣＯ（電圧制御発振器(Voltage Controlled Oscillator)）またはＶＣＤＬ（電圧制御遅延線(Voltage Controlled Delay Line)）は、フィルタリングされた位相エラー出力信号を受け取り、該フィードバック信号を生成する。ＶＣＯ／ＶＣＤＬに接続されたプログラム可能な結合回路は、フィードバック信号の一部を発振器に供給して、ＬＣ発振器タンクを、非ゼロの位相で発振させる。結合係数(coupling factor)は、発振器タンクが、温度ヌル位相に実質的に等しい位相を持つよう選択される。
【００１４】
他の実施形態では、周波数安定化回路は、発振器の動作温度に重畳される温度励起信号を印加するよう動作可能な加熱素子と、出力発振を受け取るよう発振器に接続されると共に、温度励起信号に応答して発振器により生成される周波数偏差を示す周波数偏差信号を生成するよう出力発振を復調するよう動作可能な復調器と、該周波数偏差信号および温度励起信号を受け取るよう接続されると共に、温度に対する発振器周波数の感度に比例したエラー信号を生成するよう動作可能な周波数エラー生成器と、該エラー信号および基準信号を受け取るよう接続されると共に、ＬＣ発振器タンクが温度ヌル位相で動作することが可能となるよう発振器を制御するための制御信号を生成するよう動作可能な比較器と、を備える。定常状態では、該エラー信号は、該基準信号に等しい平均値を持つ。
【００１５】
本発明の実施形態は、さらに、ＬＣ型発振器を動作させるための方法を提供する。この方法は、該ＬＣ型発振器のＬＣ発振器タンクの温度ヌル位相を求めることを含み、ここで、該温度ヌル位相は、ＬＣ型発振器の出力発振の周波数における温度変化に従う変動が最小であるときの位相である。該方法は、さらに、周波数安定化回路を提供し、温度ヌル位相に実質的に等しい位相でＬＣ発振器タンクを動作させることと、該温度ヌル位相で発振するＬＣ発振器タンクを備えるＬＣ型発振器を動作させることと、を含む。
【００１６】
以下の詳細な説明を添付の図面と共に参照することで、本発明をより完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態による、例示的なＬＣ発振器タンクを示す回路図である。
【図２】本発明の実施形態による、例示的なＬＣ発振器タンクの位相プロットを示す図図である。
【図３】ゼロ位相で動作するＬＣ発振器タンクの温度に対する発振周波数を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による、例示的なＬＣ発振器タンクの温度ヌル位相を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による、温度ヌル位相で動作している間の、温度に対する周波数偏差を示す図である。
【図６】本発明の実施形態による、温度ヌル位相で動作するＬＣ発振器タンクを有する例示的に発振器を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施形態による、ＬＣ型発振器を動作させるための例示的な方法を示す流れ図である。
【図８】本発明の実施形態による、温度ヌル位相で動作する例示的なＬＣ発振器タンクを示す回路図である。
【図９】本発明の実施形態による、非ゼロ位相においてＬＣ型発振器を動作させるための方法を示す流れ図である。
【図１０】本発明の実施形態による、温度ヌル位相でＬＣ発振器タンクを動作させるよう設計された例示的な発振器を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態による、温度ヌル位相でＬＣ発振器タンクを動作させるよう設計された他の例示的な発振器を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態による、最小の温度依存性で動作するよう設計された例示的な発振器を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態による、自動振幅制御（ＡＡＣ）ブロックを備える例示的な発振器を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態による、温度ヌル位相においてＬＣ発振器タンクを動作させるよう設計された、他の例示的な発振器を示す図である。
【図１５Ａ】本発明の実施形態による、温度ヌル位相でＬＣ発振器タンクを動作させるよう設計された、フィードバック支援型の発振器を示す図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施形態による、図１５Ａのフィードバック支援型発振器内で使用するための周波数エラー生成器の例示的な設計を示す図である。
【図１５Ｃ】本発明の実施形態による、図１５Ａのフィードバック支援型発振器の安定化ポイントを示す図である。
【図１５Ｄ】本発明の実施形態による、図１５Ａのフィードバック支援型発振器内で使用するための例示的な加熱回路を示す回路図である。
【図１５Ｅ】本発明の実施形態による、図１５Ｄで示される加熱回路から放出される例示的な温度信号を示す図である。
【図１６Ａ】本発明の実施形態による、拡張された温度ヌル位相範囲を生成するための例示的な差分ＬＣ発振器タンクを示す回路図である。
【図１６Ｂ】本発明の実施形態による、図１６Ａの差分ＬＣ発振器タンクによって生成される例示的な拡張された温度ヌル位相範囲を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の実施形態による、例示的な温度調整（トリミング）動作を示す図である。
【図１７Ｂ】本発明の実施形態による、例示的な温度調整（トリミング）動作を示す図である。
【図１８Ａ】本発明の実施形態による、温度変調を用いない場合の、例示的な発振器出力スペクトルを示す図である。
【図１８Ｂ】本発明の実施形態による、温度変調を用いた場合の、例示的な発振器出力スペクトルを示す図である。
【図１９】本発明の実施形態による、温度に対する発振器の周波数感度を求めるための方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照すると、発振器を構成する際に使用されるＬＣ発振器タンク回路１０は、インダクタンス（誘導）およびキャパシタンス（容量）のもととなる素子ＬおよびＣから構成される。ＬＣ発振器タンク回路１０における誘導性素子Ｌおよび容量性素子Ｃは、限定されるものではないが、オンチップの集積化されたインダクタ、接着ワイヤ(bond-wires)、金属―絶縁膜―金属（ＭｉＭ）コンデンサ、金属のフィンガコンデンサ(Metal Finger Capacitor)、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）コンデンサ、セラミック共振器、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）音叉共振器(tuning fork resonator)、ＭＥＭＳワイングラス共振器(wine-glass resonator)、ＭＥＭＳ型の共振器、表面弾性波（ＳＡＷ）およびバルク弾性波（ＢＡＷ）デバイス等のような、様々な種類の共振器および受動素子から構成されることができる。
【００１９】
理想的な純粋なインダクタおよびコンデンサの実現は、通常、有限の品質係数(quality factor)Ｑを持つという物理的な限界に起因して、可能ではない。今日まで、ＣＭＯＳ技術において集積化されたインダクタは、ＭＥＭＳ共振器および水晶に比べると、低いＱ係数を持つ。インダクタにおける損失の源には、インダクタの金属の抵抗損(ohmic loss)ｒＬおよび基板の抵抗損ｒＳＵＢがある。これらの損失は、両方とも、通常温度に依存しており、したがって、インダクタの全体のインピーダンスおよびＱは、温度に依存している。
【００２０】
該タンクの集積化された容量性部分はまた、そのキャパシタンス値（容量値）の温度依存性だけでなく、有限の温度依存性のＱをも被る。結果として、集積化されたＬＣタンクの物理的な実現は、該タンクのインピーダンスおよびＱ係数の強い温度依存性を示し、これは、温度依存型のタンク共振周波数をもたらす。
【００２１】
このように、ＬＣ発振器タンク１０を用いて構成された発振器は、典型的には、該タンク損失を克服するための役割を担う増幅器を有する。発振器が発振を維持するため、バルクハウゼン(Barkhausen)の条件は、開ループ利得（ゲイン）が１より大きいこと、および位相がゼロに等しいことを必要とする。増幅器がゼロ位相をもたらすとすると、発振が起こるためには、ＬＣ発振器タンクのインピーダンスＺＴａｎｋは、ゼロ位相を持たなければならない。この位相条件を使用して、以下のように、発振周波数ωＯＳＣが導かれる。
【数１】
2010050973.tif 000003
【００２２】
ここで、φＴａｎｋ＝０の発振状態は、以下となる。
【数２】
2010050973.tif 000004
【００２３】
上記の式（１）〜（３）から、ｒＬが温度に依存している場合には、発振周波数が温度に依存する、ということがわかる。温度に従うｒＬの線形の変動は、発振周波数のほぼ線形の変動となる。加えて、Ｃにおける温度変動は、温度依存性に強く寄与することとなる。
【００２４】
このことは、図２にグラフで示されており、図２には、Ｌ、ｒＬおよびＣからなるタンクの複数の異なる温度について、位相φＴａｎｋがプロットされている。ここで、ｒＬの線形の温度依存性は、式（４）のように定義され、αは、ｒＬの温度係数である。
【数３】
2010050973.tif 000005
【００２５】
発振周波数が、φＴａｎｋ＝０とこれら位相プロットとの交点を用いて決定される点に注意されたい。温度に対する対応する発振周波数は、図３にプロットされており、これは、ゼロ位相で動作する典型的なＬＣ発振器タンクにおいて、８０００ｐｐｍの強い温度依存性を示している。
【００２６】
図２における位相プロットを再び調べると、タンクの品質係数は温度と共に変化するので、位相プロットは温度と共に変化する。さらに、発振周波数において、温度が低いほどＱは高くなり、したがって、温度が低いほど、負の傾斜が大きくなっている。よって、温度に従って、位相プロットの傾斜が変化することになり、これにより、これらのプロットの交点が得られる。
【００２７】
該交点が同じ位相で生じるとき、温度に無感応なタンク動作ポイントが作られ、該タンクは、位相φＮＵＬＬで温度が“ヌル(null、無意味)”の状態で動作するものと言うことができる。温度に対する位相プロットがちょうど同じ位相で交差するときに、この理想的な温度ヌル位相(temperature null phase)が生じる。タンクにおいて理想値φＮＵＬＬの位相での発振は、温度全体にわたり、ずれ（偏差）がゼロの発振周波数となる。
【００２８】
より現実的なタンクは、温度に対し、小さな周波数偏差を伴う温度ヌルを示す。これが、図４にグラフで示されており、ここで、発振の条件は、φＴａｎｋ＝φＮｕｌｌであり、温度に対する対応発振周波数がプロットされている。図５に見られるように、温度ヌル位相で発振器を動作させることは、かなり低い温度依存性の発振周波数となる。たとえば、図５において、周波数ドリフトは、わずか２９０ｐｐｍである。これを、図３のゼロ位相における８０００ｐｐｍの周波数ドリフトと比べると、温度ヌル位相における発振は、より安定した周波数を生成することがわかる。
【００２９】
グローバルな温度ヌル（ＧＮｕｌｌ：Global Temperature Null）を、温度範囲の中央ＴＯにおいて、温度に対する発振周波数の変化ｄｆＯＳＣ/ｄＴが非常に小さいもしくは変化がゼロの温度範囲ΔＴにわたり、最小の周波数偏差Δｆをもたらす位相動作ポイントφＧＮｕｌｌとして、定義することができる。温度ヌルの品質を計る尺度は、温度に対する発振周波数偏差である。タンクの温度ヌルの良度指数(ＦＯＭM:Figure of Merit)は、以下のように定義されることができる。
【数４】
2010050973.tif 000006
【００３０】
ここで、ｆＴｏは、ＴＯにおける発振周波数である。ＦＯＭの値が小さくなるほど、該ヌルの品質は良好になる。完全なヌルは、ＦＯＭ＝０となる。
【００３１】
ローカルな温度ヌル(ＬＮｕｌｌ：Local Temperature Null)を、ｄｆＯＳＣ/ｄＴ＝０の位相動作ポイントφＬＮｕｌｌとして定義されることができる。代替的に、ＬＮｕｌｌを、温度Ｔ＋δの位相プロットとＴ−δの位相プロットの交点というように、温度Ｔにおいて定義されることができる。ここで、δは、極小の値である。
【００３２】
温度ＴＯに対するＧＮｕｌｌの発振周波数ωＧＮｕｌｌは、温度（ＴＯ＋ΔＴ）と（ＴＯ−ΔＴ）における２つの位相カーブの交点を見つけることによって導出されてもよい。ｒＬの線形温度依存性を持つＬＣ発振器タンクについて、ＧＮｕｌｌにおける位相および周波数は、次のようになる。
【数５】
2010050973.tif 000007
【００３３】
上記の式（６）および（７）から、ωＧＮｕｌｌ＞ωｏであり、ωＧＮｕｌｌがΔＴの弱い関数(weak function)であることがわかる。さらに、φＬＮｕｌｌは、負の値であり、かつΔＴの非常に弱い関数であり、これは、以下のように、ＴＯ（ΔＴ＝０）におけるＬＮｕｌｌが、（２ΔＴ）の温度範囲のＧＮｕｌｌの中央であることを示す。
【数６】
2010050973.tif 000008
【００３４】
このように、関心のある温度範囲のＬＮｕｌｌポイントを用いてＧＮｕｌｌを位置付けることが可能である。
【００３５】
ＧＮｕｌｌのＦＯＭは、一般に、タンクのＱが増えるにつれ、またインダクタの抵抗（ohmic）損の温度係数αが減少するようにつれ、向上する。しかしながら、温度依存の能動性のキャパシタンス（active capacitance）および（または）受動性のキャパシタンス（passive capacitance）を用いることによって、ＧＮｕｌｌのＦＯＭを向上させることが可能である。たとえば、再び図１を参照すると、コンデンサＣは、温度依存型のコンデンサであることができる。発振周波数は、タンクのインピーダンスに依存しており、その容量性の部分は、キャパシタンスの二次もしくはそれ以上に高い次数の温度依存性(second order or higher temperature dependence)が、関心のある温度範囲にわたって全体的な周波数偏差を減少させるよう働くことができるという点で、非常に効果的である。
【００３６】
図６を参照すると、ＬＣ発振器５は、従来のように、ＬＣ発振器タンク１０に対してゼロ位相に非常に近いところで動作するよう設計されており、よって、温度ヌルを通常逃してしまっている。バルクハウゼンの条件を満たすため、図６に示すように、本発明の実施形態では、周波数安定化回路２０を使用して、ＬＣ発振器タンク１０が温度ヌル位相で発振しつつ、ＬＣ発振器５が、ゼロの開ループ位相で発振するのを可能にする。たとえば、一実施形態では、周波数安定化回路２０をＬＣ発振器タンク１０に含めて、温度ヌル位相をゼロ近くに動かす。他の実施形態では、周波数安定化回路２０は、ＬＣ発振器タンク１０を、非ゼロ値の温度ヌル位相で発振させると共に、該温度ヌル位相と同じ大きさで逆向きの位相を提供して、ＬＣ発振器５が、実際にゼロの開ループ位相で発振するのを可能にし、これによりバルクハウゼンの条件を満たすようにする。周波数安定化回路２０はまた、較正／トリミングの動作中に、および（または）リアルタイムの動作中に、温度ヌル位相にＬＣ発振器タンクの位相を設定するよう動作するコントローラを含むことができる。ＬＣ発振器タンク１０および周波数安定化回路２０の様々な形態については、図８、図１０〜１５を参照して後述される。
【００３７】
図７は、本発明の実施形態に従う、温度非依存型のＬＣ型発振器を動作させるための例示的な方法を示す流れ図である。ブロック１１０において、ＬＣ発振器タンクが提供され、その温度ヌル位相が推定される。この温度ヌル位相は、温度変化に対する周波数変動が最小となるときの位相である。ブロック１２０において、周波数安定化回路が提供され、発振器がゼロの開ループ位相を持つように、ＬＣ発振器タンクを、温度ヌル位相に実質的に等しい位相で発振させる。ブロック１３０において、温度ヌル位相に実質的に等しい位相で発振するＬＣ発振器タンクを用い、ＬＣ型発振器を動作させる。たとえば、一実施形態において、ＬＣ型発振器をトリミングして、温度ヌル位相に実質的に等しい位相を選択し、特定の温度範囲にわたって実質的に温度に非依存の発振周波数を生成することができる。
【００３８】
図８を参照すると、従来の発振器の実現形態を使用するとともに、温度ヌルの利益を享受するため、ＬＣ発振器タンク１０を、φＧＮｕｌｌ〜０を持つよう設計することができる。これは、関心のある温度範囲にわたって、インダクタの品質係数ＱＬおよびコンデンサの品質係数ＱＣを等しくすることにより達成されることができる。図８に示すように、直列の抵抗ｒＣが、周波数安定化回路２０として、ＬＣ発振器タンク１０に追加され、インダクタＬおよびコンデンサＣの両方に、有限の品質係数を持たせる。直列の抵抗ｒＬおよびｒＣの両方が温度依存型であるとすると、φＴａｎｋ＝０の位相条件を用いた発振周波数は、以下のようになる。
【数７】
2010050973.tif 000009
【００３９】
ＣおよびＬが温度に非依存である場合、上記式を調べると、関心のある温度範囲にわたってＱＬおよびＱＣが等しければ、発振周波数が、ゼロの位相において、ＬＣ発振器タンク１０の固有周波数(natural frequency)となり、温度に非依存であることがわかる。これは、温度ヌル（ＧＮｕｌｌ）をゼロ位相に動かすことと等価である。これを達成するため、ｒＣは、
【数８】
2010050973.tif 000010
を満たすよう選択される。ＱＬ＝ＱＣならば、ゼロ位相における温度ヌルは、ｒＬ＝ｒＣで維持される。Ｃおよび（または）Ｌが温度依存ならば、ｒＣの値は、ゼロ位相周辺のＧＮｕｌｌとなるよう選択される。
【００４０】
図９は、本発明の実施形態に従う、非ゼロ位相でＬＣ型発振器を動作させるための方法２００を示す流れ図である。図９において、ＬＣ発振器タンクの温度ヌル位相がブロック２１０で推定されると、ブロック２２０において、周波数安定化回路がＬＣ発振器内に提供され、発振器の開ループ伝達関数に、ＬＣ発振器タンクの該推定された温度ヌル位相とは逆の位相を取り入れる。その後、ブロック２３０において、ゼロの開ループ位相のバルクハウゼン位相条件を違反することなく、ＬＣ発振器タンクが温度ヌル位相で発振するように、ＬＣ型発振器を動作させる。たとえば、発振器のゼロの開ループ位相のために、ＬＣ型発振器内の増幅器を、定常状態において、−φＧＮｕｌｌ（グローバルヌル位相の負の値）に等しい位相を提供するよう設計することができる。
【００４１】
図１０は、本発明の実施形態に従う、温度ヌル位相においてＬＣ発振器タンク１０を動作させるよう設計された、例示的なＬＣ型発振器５を示す図である。前述したように、温度ヌル位相で動作することにより、温度に対して非常に高い安定性を有した発振器５とすることができる。温度ヌルで（温度が無意味な状態で）動作する発振器５を実現するため、周波数安定化回路２０を提供して、ＬＣ発振器タンク１０を温度ヌル位相で動作しつつ、ＬＣ発振器５を、ゼロの開ループ位相で発振させることができる。
【００４２】
周波数安定化回路２０は、増幅器（ｇｍトランスコンダクタ）３０および位相シフト回路（“ｅｊφ”ブロック）４０を有する。増幅器３０は、位相シフト回路４０と組み合わさって、定常状態において、ＧＮｕｌｌの負の値（−φＧＮｕｌｌ）に等しい位相を提供するよう設計されている。さらに、増幅器３０および位相シフト回路４０は、生成された該位相が低い温度依存性を有するよう設計されている。例示的な動作において、位相シフト回路４０は、増幅器３０の出力の位相をシフトし、これは、ＬＣ発振器タンク１０を、タンクの温度ヌル位相において、または該ヌル位相近くで、非ゼロの位相で発振させる。たとえば、増幅器が十分な利得を持っていれば、ＬＣ発振器タンク１０における位相が、位相シフト回路４０によって生成される位相に大きさが等しくかつ逆である場合の周波数で、ＬＣ発振器タンク１０は発振することとなる。
【００４３】
位相シフト回路４０は、最適な位相動作ポイントに可能な限り近づくようにするため、位相制御信号φＣｏｎｔｒｏｌを介して、位相の正確な生成を可能にするとともに、位相の大きさを制御することができる。位相制御信号φＣｏｎｔｒｏｌを使用して、位相動作ポイントを調整するための較正／トリミングの動作中に、および（または）位相動作ポイントの精細な調整を行うためのリアルタイムの動作中に（すなわち、発振器５を含むデバイスがユーザによって使用中であるときに）、固定の位相動作ポイントを設定することができる。たとえば、コントローラ／プロセッサは、発振器５の出力を測定して、これに応答して位相制御信号φＣｏｎｔｒｏｌを生成することができる。位相制御の精度は、最終的な位相動作ポイントがグローバルヌルにどれほど近づけるかを決める。
【００４４】
こうして、図１０に示すように、能動回路（ｇｍトランスコンダクタ３０および位相シフト回路４０）は、発振周波数におけるタンクのインピーダンスが、以下の式のようになるように、同じ大きさの、かつ逆の位相を提供する。
【数９】
2010050973.tif 000011
【００４５】
したがって、位相シフトφが、タンクのφＮｕｌｌに近ければ、温度にほぼ非依存の周波数での動作が達成される。温度ヌルに可能な限り近いところで動作するよう発振器を調整するため、位相シフト回路４０を、位相を制御する機能を備えた能動位相シフタ(shifter)および（または）受動位相シフタを用いて実現することができる。
【００４６】
図１１は、本発明の実施形態に従う、温度ヌル位相でＬＣ発振器タンクを動作させるよう設計された、他の例示的な発振器５を示す図である。図１１の設計において、位相シフトθを持つ、２つの等しくない電流（ここで、比＝ｍとする）が、タンク１０に流され、該２つの構成要素の比ｍに依存する位相シフトを持つ総電流Ｉｔｏｔａｌを生成する。Ｉｔｏｔａｌの組み合わされた位相シフトφは、ＬＣ発振器タンク１０を、非ゼロの位相で発振させる。比ｍおよび位相シフトθは、ＬＣ発振器タンク１０を、該タンクの温度ヌル位相において、もしくは該ヌル位相近くで発振させるように選択される。
【００４７】
たとえば、図１１に示されるように、第１の増幅器（ｇｍトランスコンダクタ）３０ａは、電流Ｉ１をタンク１０に流すと共に、第２の増幅器（ｍ＊ｇｍトランスコンダクタ）３０ｂ（これは、周波数安定化回路２０を形成する）は、第２の電流ｍ＊Ｉ１（正確には、以下の（ａ）のように表される）をタンク１０に流す。ＬＣ発振器タンク１０において生成される結果としての位相は、Ｉ１およびＩ２の比ｍおよびＩ２の位相θの関数である。たとえば、ｍ＝１およびθ＝９０度であれば、ＬＣ発振器タンクを流れる電流の結果としての位相は、−４５度になるであろう。したがって、４５度より小さい大きさの位相シフトを生成するため、典型的には、比ｍを１より小さく、位相シフトθを９０度より小さくすることができる。
【数１０】
2010050973.tif 000012
【００４８】
増幅器３０ｂに接続される電圧（以下の（ｂ）のように表される）を、弱い温度依存を持つ任意の手法を用いて生成することができる。たとえば、複数の位相を生成するよう設計された複数の接続された発振器（たとえば、Ｎ個の同一の発振器）は、所望の電圧（以下の（ｂ）のように表される）を生成することができる。一例として、２つのみの発振器を必要とする直交位相（θ＝９０°）の使用を介して、該所望の電圧を生成することができる。
【数１１】
2010050973.tif 000013
【００４９】
直交位相を用いる一実施形態が、図１２に示される。図１２において、発振器５は、互いに直交に発振する、２つのほぼ同一の発振器タンク１０ａおよび１０ｂを有する。増幅器３０ｂおよび３０ｃは、ほぼ同じトランスコンダクタンスｇｍを生成すると共に、位相シフトされたトランスコンダクタンス（ｍ＊ｇｍ）をそれぞれタンク１０ａおよび１０ｂに提供する。利得ブロック６０は、１８０°の位相シフトを生成し、２つのタンク１０ａおよび１０ｂを、互いに９０°だけ位相がずれた状態にする。したがって、各タンク１０ａおよび１０ｂにおける全体の位相シフトφは、単なる結合比(coupling ratio)ｍの関数であり、以下のように表される。
【数１２】
2010050973.tif 000014
【００５０】
自動振幅制御（ＡＡＣ）ブロック５０は、発振器５の出力Ｖおよび下記の（ｃ）のように表されるＶの動作振幅を検知し、ループ利得がちょうど１となるよう連続的に調整し、増幅器３０ａ〜３０ｄは、それらの線形領域で動作する。これらの詳細は、図１３を参照して説明される。
【数１３】
2010050973.tif 000015
【００５１】
比ｍを変動させることは、結合増幅器３０ａおよび３０ｂのバイアス電流を変倍すること、および／または、能動デバイス（たとえば、ＭＯＳトランジスタの差動対）の増幅器３０ａおよび３０ｄ内の大きさ(dimension)を変倍することで行われることができる。たとえば、比ｍを変倍することは、性能についての小さい不一致および温度に対する安定した温度非依存の結合比率を維持しつつ、増幅器３０ａおよび３０ｄ内のオフ／オンデバイスを切り換えることにより行われることができ、このことは、２つのタンク１０ａおよび１０ｂにおいて一定の位相を生成する。比ｍの設定を、発振器のトリミング中に行うことができ、発振器の動作中に固定に維持することができる。これは、アナログまたはデジタル手法を用いて達成されることができる。たとえば、必要な比ｍの設定を表すデジタルワードを、不揮発性メモリを用いてチップ上に格納し、発振器のライフタイム中の将来の使用のために利用可能とすることができる。ＡＡＣブロック５０が、すべてのトランスコンダクタンス増幅器３０ａ〜３０ｄを、該すべての４つの増幅器がトラッキングゲイン(tracking gain)を確実に持つように制御すべきであり、これにより、効果的な結合比ｍを、動作中に一定に維持することができる。
【００５２】
ヌルに影響する温度依存性の２つの主な源は、（１）温度依存である能動回路の寄生インピーダンス、および（２）タンク１０における電流の高調波成分、である。能動回路の寄生容量（線形または非線形）は、温度、電源および出力電圧の揺れ（swing）に従って、周波数シフトを引き起こすおそれがある。さらに、増幅器３０の出力抵抗は、タンクの効果的な品質係数を低減し、よって、タンクのＦＯＭを低減するおそれがある。寄生のこのような影響を、発振器５の注意深い設計によって最小にすることができる。たとえば、タンク１０の容量（キャパシタンス）を、能動回路の寄生容量より十分大きくなるよう設計し、タンクの容量の温度依存性が支配的なものであって、寄生容量は、温度ヌルの位置や品質にほとんど影響を持たないようにすることができる。さらに、出力抵抗を、タンクの品質係数の低下（これは、該ヌルの位置を変化させるだけでなく、該ヌルの品質を劣化させることがある）を回避するために可能な限り高くすることができる。
【００５３】
発振器は、本来、正（ポジティブ）のフィードバックループを持つので、十分な利得を持つ従来の発振器における発振の振幅は、増幅器の非線形性が振幅の増大に制限を与えるまで、増大することとなる。定常状態において、発振器の出力は、その大きな信号利得が１であるように多くの高調波を含んでおり、よって振幅は一定である。しかしながら、能動回路における何らかの非線形性は、高調波をタンク１０に流し、これにより、コンデンサとインダクタの間にエネルギーの不均衡を引き起こし、よって、以下に示す式で与えられるように、発振周波数を低くして均衡を回復しようとする。
【数１４】
2010050973.tif 000016
【００５４】
ここで、ωｏｓは、高調波を有しない発振周波数であり、Ｉｎは、タンクにおける電流のｎ番目の高調波である。タンクに流された高調波成分が、温度、電源、および発振振幅に依存しているので、発振周波数もまた変動する。高調波の影響を、発振器を発振の限界利得(critical gain、限界ゲイン)の状態で動かすことにより最小にすることができ、これにより、過剰な利得が、発振の振幅を、増幅器の線形領域を超えるレベルにまで増大させてしまうことを防ぐことができ、よって、非常に低い高調波成分を有する発振とすることができる。
【００５５】
図１３を参照すると、ループ利得がちょうど１になるよう連続的に調節するよう設計された例示的なＡＡＣブロック５０が示されており、増幅器３０は、その線形領域において動作している。ＡＡＣブロック５０は、発振の振幅を測定する振幅検知回路５２、該検知した振幅を、基準電圧Ｖｒｅｆと比較する比較回路５４、比較回路５４の出力に基づいて増幅器３０の利得を制御する信号を生成するコントローラ５６とを含む。定常状態において、発振の振幅は、増幅器３０の線形領域の限界値より小さく、かつ基準電圧の変倍された値に等しいべきである。その一方で、増幅器３０の利得は、発振の限界利得の状態で動作するよう設定される。
【００５６】
図１４は、本発明の実施形態に従う、温度ヌル位相でＬＣ発振器タンクを動作させるよう設計された発振器システム１５を示す。図１４の発振器システム１５は、一定の位相θだけその入力（複数）がシフトされるときにゼロの位相エラー出力を生成する位相検出器６２を備える位相ロックループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）６０を含む。たとえば、位相検出器６２は、ＸＯＲゲートまたはミキサ（アナログの実現形態について）であることができ、定常状態において、直交となっている（すなわち、θ＝９０°）入力（複数）を持つ。
【００５７】
ＰＬＬ／ＤＬＬ６０は、さらに、ループフィルタ６４と、ＰＬＬ電圧制御発振器（ＶＣＯ）６６（ＰＬＬとして動作するとき）または電圧制御遅延線（ＶＣＤＬ）６８（ＤＬＬとして動作するとき）とを有する。ＰＬＬとして動作するとき、基準発振器５の出力（Ｖ）は、位相検出器６２への入力となり、ＰＬＬ６０が、ＰＬＬ  ＶＣＯ６６の位相を基準発振器５に対してロックし、定常状態において、ＰＬＬ  ＶＣＯ６６および基準発振器５が、同じ周波数を持ち、位相においてθだけシフトされているようにする。こうして、ＰＬＬ６０は、ＰＬＬ  ＶＣＯ６６を、基準発振器５の周波数を追跡（トラッキング）させ、よって、２つの発振器５および６６は、同じタンクを持たなくても、常に同じ周波数を持つ。ＤＬＬとして動作するときには、発振器５とＤＬＬ６０の間の位相関係は、ＶＣＤＬ６８を用いて達成される。
【００５８】
ＰＬＬ  ＶＣＯ６６またはＶＣＤＬ６８の出力（下記の（ｄ）のように表される）は、フィードバック信号として、位相検出器６２の入力となり、また、プログラム可能な結合回路７０への入力となる。プログラム可能結合回路７０は、該ＰＬＬ／ＤＬＬの出力（これは、（ｄ）のように表される）の一部（下記の（ｅ）のように表される）を、基準発振器５に結合し、基準発振器５が、温度ヌルで動作することを可能にする。ＡＡＣブロック５０はまた、２つの発振器５および６６の間の結合比ｍを、温度に対して一定に維持するために、該発振器５および６６に接続される。このように、基準発振器５は、必要とされる温度ヌル位相で動作すると共に、低い温度依存性を持つよう動作することができる。
【数１５】
2010050973.tif 000017
【００５９】
図１５Ａは、本発明の実施形態に従う、温度ヌル位相でＬＣ発振器タンク１０を動作させるよう設計されたフィードバック支援型発振器５を示す。図１５Ａに示される発振器システム１５は、発振器５の、図８に示すようなＬＣタンク１０および（または）図１０に示すような能動回路（すなわち、位相シフト回路４０と組み合わさった増幅器３０）を調整し、温度ヌル位相にタンクの位相シフトを調節する。
【００６０】
発振器システム１５は、発振器が、温度に対して特定の感度状態にあるときに安定するフィードバックループを用いて、ＧＮｕｌｌにおける動作を自動化する。動作温度に重畳される温度励起信号(temperature excitation signal)が、発振器５に印加される。たとえば、温度励起信号は、振幅Ｔｍを持ち、周波数ｆｍの正弦波であることができ、動作温度Ｔｏｐに重畳される。発振器５が温度に感応する場合には、発振器５からの発振２５の出力は、温度励起信号に関連する温度が変化するに従って変化し、ｆｍによって周波数変調された発振２５となる。
【００６１】
発振器５の出力２５は、ＦＭ復調器７５への入力となり、これは、発振周波数偏差を検知する。周波数エラー生成器（ＦＥＧ：Frequency Error Generator）８０は、ＦＭ復調器７５の出力（周波数偏差）７８および温度変動を、温度に対する発振周波数の感度（Δｆｏｓｃ／ΔＴ）に比例したエラー信号ＦｄＴｅｒｒに変換する。エラー信号ＦｄＴｅｒｒおよび基準信号ＦｄＴｒｅｆは、比較ブロック８５において比較され、その結果は、積分器９０において積分され、その後、ローパスフィルタ９５によってローパスフィルタリングされる。最終的な制御信号（Ｖｃｔｒｌ）９８は、その後、発振器５の動作を制御するのに用いられ、これにより、ＬＣタンク１０は、温度ヌル位相で動作することが可能となり、または、位相シフトの直接制御を介して、またはｒＣを制御することによって、該ヌルをゼロ位相にシフトすることが可能となる。
【００６２】
ＦＥＧ８０の実現形態の一例が、図１５Ｂに示されている。ＦＥＧ８０は、ミキサ８２、利得ステージ８４およびトランスコンダクタ８６を含む。ミキサ８２は、入力として、ＦＭ復調器の出力（周波数偏差）および温度励起信号（温度偏差）を受け取り、Δｆｏｓｃ／ΔＴに比例した平均値でエラー信号ＦｄＴｅｒｒを生成する。図１５Ｂの周波数プロットで示されるように、生成されたエラー信号ＦｄＴｅｒｒは、温度の上昇に従って、周波数偏差が正であれば平均値を持ち、周波数偏差が負であれば、その符号が逆となる。
【００６３】
定常状態において、エラー信号ＦｄＴｅｒｒは、基準値ＦｄＴｒｅｆに等しい平均値を持つ。基準信号がゼロならば、フィードバックループは、エラー信号がゼロ平均を持つときに定常状態に達する。ゼロのエラー信号は、Δｆｏｓｃ／ΔＴ＝０と等価であるので、これは、発振器を、動作温度のＬＮｕｌｌで動作させるよう調整することと等価である。図１５Ｃに示すように、基準信号が、基準温度Ｔｒにおいてゼロ値を持つ温度の関数であるよう設計されている場合には、ループは、以下の場合に安定化する。
【数１６】
2010050973.tif 000018
【００６４】
全体的に、ループは、発振器が、温度ＴｒでＬＮｕｌｌを持つＧＮｕｌｌで動作するよう設計される。一定値βは、ループ利得および温度に対する目標発振周波数の許容値に依存している。
【００６５】
図１５Ｄおよび図１５Ｅを参照すると、発振器の温度を変調するため、集積化された電圧制御型の加熱素子３００を使用することができ、これは、発振器５を局所的に加熱することができる。加熱素子の一例が図１５Ｄに示されている。加熱素子３００は、ＮＭＯＳトランジスタ３１０および集積化されたポリシリコン抵抗３２０を含む。図１５Ｅに示すように、入力制御電圧は、所望の変調周波数におけるレールツーレール(rail-to-rail)の信号であることができ、該入力信号のデューティ信号を変化させて、温度変調Ｔｍに対する振幅を制御することができる。該入力の方形波の振幅を変化させることにより温度を制御することも可能である。
【００６６】
複数の加熱素子３００を、チップ上に分散させて、発振器システムのほぼすべてのデバイスが同じ温度を持つようにし、これにより、発振器温度全体を制御することができる。可能な限り、すべての接続ワイヤが、電気力線（field line）に垂直になると共に、感応の高い回路ノードおよび信号から遠ざかって、不所望の電気的結合を回避するように、加熱素子３００を配置して接続することができる。
【００６７】
すべてのＬＣタンクが、発振器の構成要素の製造プロセスのばらつきに起因して、決定的な温度ヌル位相を持つというわけではない場合、温度ヌル位相のばらつきが生じる。したがって、温度ヌル位相に近づけるようＬＣタンク発振器を動作させるのに、トリミング（trimming, 調整）技術が必要とされる場合がある。所望の発振周波数の温度に伴うばらつきが低くなるほど（周波数安定性が良好なほど）、ＬＣ発振器タンクの位相動作は温度ヌル位相に対して近づくこととなり、また、これが近づくほど、トリミングはより高価なものとなりうる。トリミングのコストを低減するため、測定の数および複雑さは最小にされるべきであり、また、測定が行われる温度の数も最小にされるべきである。少ない測定のみを用いて常温で発振器をトリミングすること、すなわち最小のトリミングを必要とするようＬＣタンク発振器を設計することは、非常に経済的な価値があるものである。
【００６８】
図１６Ａを参照すると、差動発振器(differential oscillator)において、意図的に不一致とされている一対のタンク１０ａおよび１０ｂを用いる差動タンク１０が示されている。たとえば、Ｌ１／Ｃ１の値およびＬ２／Ｃ２の値は、タンク１０ｂのＬ１／Ｃ１の共振周波数が、タンク１０ａのＬ２／Ｃ２の共振周波数とわずかに異なるよう選択される。図１６Ｂに示すように、そのようなタンク１０の設計は、単一位相とは異なり、複数の位相の範囲にわたって拡張された温度ヌルを示している。差動タンク１０の設計を、図８、図１０〜１５に示すような上記の発振器設計のうちの任意のものに用いることができ、製造プロセスのばらつきを補償する低い温度依存性をもたらす位相範囲内で動作させることができる。
【００６９】
前述したように、図８、図１０〜１５に示される発振器設計のうちの任意のものを用いて、発振器がタンクの温度ヌルで動作したならば、温度にほぼ依存しない発振周波数を達成することができる。しかしながら、該ヌルの位置は、プロセスのばらつきに起因してシフトする（ずれる）おそれがある。このシフトは、アプリケーション（適用分野）次第によっては、許容可能な温度ばらつきを周波数において引き起こすけれども、いかなる温度トリミングも較正も必要とされない。この場合、初期の周波数精度の調節のために常温の較正のみが必要とされる。
【００７０】
しかしながら、より要求の高い適用分野では、発振周波数の温度依存性は最小にされるべきであり、ＧＮｕｌｌで動作させるよう発振器を調整する温度トリミングを再び必要とし、タンクの温度ヌルでの動作を保証する必要があるかもしれない。このトリミング手順の長さおよび複雑さは、商品の試験コストを決定し、最終的な商品の全体のコストを決定する。
【００７１】
ＧＮｕｌｌをＬＮｕｌｌに関連づけることができれば、低コストのトリミングのための途が開かれる。なぜならば、ＧＮｕｌｌを見つけるのに、発振器を、いくつかの、もしくは多くの温度で動作させる（これは、コストがかかる）必要がないからである。たとえば、図１７Ａおよび１７Ｂに示すように、２つの温度を用い、各温度において、タンクにおける位相シフトを変化させ、発振周波数を観察する。こうして、φＮｕｌｌが、２つの温度間で最小の周波数差分を持つ位相となる。同様に、２つ以上の温度を用いて、必要な温度依存性を達成することができる。
【００７２】
図１８Ａおよび１８Ｂを参照すると、限定されるものではないが、ＬＣタンク型の発振器、水晶型の発振器、ＭＥＭＳ型の発振器、リング発振器、弛緩発振器を含む任意の発振器であって、温度に対する感度を有する発振器を、温度制御を備える発振器として見ることができ、よって、出力の周波数は、発振器温度に対する刺激に応じて変化するおそれがある。発振器温度は、図１５Ａを参照して述べたように、周波数ｆｍおよび振幅Ｔｍを持つ正弦波信号によって変調される場合には、狭帯域周波数変調（ＮＢＦＭ；Narrow Band Frequency Modulation）の近似を用いると、発振器のスペクトルが、図１８Ｂに示すように、元の発振器周波数からｆｍだけオフセットされた所においてサイドトーン(side tone)を有するものとなって現れる。このサイドトーンの大きさは、変調振幅Ｔｍ、変調周波数ｆｍおよび温度に対する発振器の感度ＢＴに依存している。発振周波数の大きさに対するサイドトーンの大きさＳｒを、ＮＢＦＭ近似を用いて、以下のように導くことができる。
【数１７】
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【００７３】
上記の分析から、任意の発振器の温度に対する発振周波数の感度ＢＴは、上で定義したように、発振器出力のスペクトルの成分を観察することによって推定されることができる。１つまたは複数の温度における発振器パラメータに応答したＢＴ変動の知識を用い、温度に対して所望のパフォーマンスを示すよう発振器を動作させるためのパラメータを選択することができる。この分析は、分析の容易さおよび簡単さのために正弦波の温度変調を前提としている。しかしながら、温度変調の形態は、正弦波の離散形(discrete)または連続体(continuum)によって分解または近似されることができる任意の形状をとることができ、こうして、発振周波数の温度感度ＢＴを推定する際に上記分析を使用することができる。
【００７４】
したがって、たとえば図１５Ａに示すようなフィードバック支援型の設計を用いて、周波数ｆｍで、ＴＯの周辺のＴｍによって温度を変調し、Ｓｒを測定することにより、単一の温度ＴＯ（たとえば、常温）でゼロまたはゼロに非常に近い感度を含む、特定の温度感度で動作するよう、発振器をトリミング（調整）することができる。発振器の最小の温度感度を見つけるため、トリミング制御を、最小の温度感度で発振器を動作させることに等価な最小値Ｓｒを探索するよう変更させることができる。たとえば、図１５Ａに示されるフィードバックループを使用して、常温におけるＬＮｕｌｌを単に見つけることによりＧＮｕｌｌを見つけることができる。ループによって得られた値を、その後の使用のために不揮発性メモリに格納することができる。
【００７５】
図１９は、本発明の実施形態に従う、温度に対する発振器の周波数感度を求めるための方法４００を示す流れ図である。該方法は、ブロック４１０で始まり、ここで、温度励起信号が、発振器の動作温度に重畳される。ブロック４２０において、発振器の出力が復調され、温度励起信号に応答して発振器によって生成された周波数偏差を示す周波数偏差信号を生成する。その後、ブロック４３０において、温度に対する発振器の周波数感度が求められる。たとえば、温度に対する発振器の周波数感度に比例したエラー信号を、周波数偏差信号および温度励起信号から生成することができる。
【００７６】
上記の実施形態の任意のものに従って、温度ヌル位相において動作するよう設計された発振器は、限定されるものではないが、家庭用電子機器、産業機器、計算デバイス、システムインターフェース（たとえば、ＵＳＢ，シリアルＡＴＡ(ＳＡＴＡ：Serial Advance Technology Attachment)およびＰＣＩエクスプレス等）、自動車、医療機器、航空電子機器、通信システムおよびその他の、多くの分野のアプリケーションに適用されることができる。さらに、上記実施形態のいずれかに従う温度ヌル位相で動作するよう設計された発振器は、スタンドアローンの低温度感度発振器として使用されることができ、また、システムオンチップ(ＳｏＣ：System-on-chips)におけるドロップイン(drop-in)発振器として使用されることができ、また、ユーザがプログラム可能なＦＰＧＡチップ内に含めてもよい。
【００７７】
ここで使用されているように、用語「実質的に(substantially)」および「およそ(approximately)」は、その対応する用語および（または）項目間の関連性について、産業的に容認される許容誤差(tolerance)を与えるためのものである。そのような産業的に容認される許容誤差は、１パーセント未満から５０パーセントに及び、限定されるものではないが、構成要素の値、集積回路のプロセスの変動、温度の変動、立ち上がりおよび立ち下がり時間、および（または）熱雑音等に対応する。項目間のこのような関連性は、数パーセントの差から、相当大きい違いにまで及ぶ。また、ここで使用されているように、用語「〜に接続され(coupled to)」および（または）「結合(coupling)」は、項目間の直接的な接続（結合）だけでなく、介在する何らかの項目（たとえば、限定されるものではないが、何らかの構成要素、素子、回路、、モジュール等）を介して項目間を間接的に結合（接続）することも含む。間接的な接続（結合）については、該介在する項目は、信号の情報を何ら変更するものではなく、その電流レベル、電圧レベル、位相および（または）電力レベルを調節するにとどまる。また、推論結合（inferred coupling）（たとえば一つの要素が他の要素に、推論(inference)によって結合されること）は、上記の接続（結合）と同様に、直接および間接の接続（結合）を含むものである。さらに、用語「動作可能(operable)」は、或る項目が、１または複数の電力接続、入力、出力等を含んで、１つまたは複数の対応する機能を実行し、ひいては、１つまたは複数の他の項目に推論結合することを含むこともある。さらに、「関連付けられる(associated with)」は、直接および（または）間接の、分離した項目の結合および一つの項目が他の項目に埋め込まれることを含む。
【００７８】
当該分野の当業者には認識されるように、本願で記載された革新的な概念を、本願の広い範囲にわたって修正ないし変更することができる。したがって、本発明の範囲は、上記述べた特定の例示的な技術に制限されるものではなく、特許請求の範囲によって定義されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【外国語明細書】
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